科技前沿论文--质量与可靠性工程

科技前沿“21 世纪是质量的世纪“。质量、质量管理和质量控制是企业经营永恒的主题，产品质量、服务质量和工程质量是企业生存和发展以及竞争力体现的重要因素，是一个国家整体经济和科技实力的集中体现，是国家综合实力的象征，也是社会可持续发展的关键因素。因此，学习质量、质量管理、质量控制和可靠性方面的基本知识是新世纪广大管理和工程技术人员的素质要求之一。开展质量控制和可靠性知识的教育、技术研究和应用，有助于加强对产品实现过程和服务形成过程的质量监控，提高产品和服务的质量以及顾客满意度；有助于掌握产品耗损规律，并通过对系统故障原因及其逻辑关系的分析获得掌握系统中最薄弱环节的主动权，从而在硬件和软件设计上采取有效防护措施，并在采购、生产、测试等进行全过程质量控制和可靠性管理，防止产品发生故障，为提高产品在市场上的竞争力提供有效保障。质量控制与可靠性是一门融硬科学和软科学于一体的交叉性、边缘性、综合性学科。它涉及到现代企业管理、产品质量控制、产品设计与制造技术、现代测试技术、技术经济学、管理信息系统、概率论与数理统计等多门学科。近年来，在其理论研究和实际应用方面都取得了令人瞩目的进展，其研究内容日益丰富，实践领域不断扩大。特别是自从质量管理与可靠性的有关国际标准公布以来，质量管理与可靠性进入了概念一体化、内容规范化和活动国际化的时期。近年来，随着全球经济一体化进程的不断加快，随着我国加入WTO 后开放程度的不断加深，我国企业尤其是出口商品生产企业正面临着越来越激烈的市场竞争。面对共同的国际市场环境，国内企业若想制造出具有核心竞争力的产品，需要在各方面实现与国际接轨，其中最重要的一条就是遵守统一的产品质量标准，要有可靠性指标。而且，在产品研发的国际合作中，要遵循统一的研制规范，也需要可靠性专业的技术对接。这一切，都迫使我国企业逐步意识到加强可靠性工程建设的重要性和紧迫性。我国在军品研发和生产方面积累的经验，将为民品可靠性水平的提高提供有力的支持。产品都质量与可靠性问题很早就已为人们所关注，但是作为一门学科，专业进行这一领域的研究还是近 50 年开展起来的。早在热、二次世界大战期间，许多机械电子产品常常在战争的使用过程中出现故障，致使丧失了使用能力，如美国空军由于飞行故障而损失的飞机达两万架，是在战争中被击落的飞机的 1.5 倍。于是，为解决军用电子设备和复杂导弹系统的可靠性问题，美国军方及工业界有组织地开展了可靠性研究。在这期间，具有影响的是 1952 年美国国防部成立了一个由军方、工业部门和学术界组成的电子设备可靠性咨询组（AGREE） 。1955 年 A-GREE 开始实施一个从设计、试验、生产到交付、储存、使用的全面的可靠性发展计划，并于 1957 年发表了军用电子设备可靠性的研究报告。该报告从 9 个方面阐述了可靠性设计、试验及管理的程序及方法，确定了美国可靠性工程发展的方向，成为可靠性发展的奠基性文件，标志着可靠性已成为一门独立的学科，是可靠性工程发展的重要里程碑。20 世纪 60 年代是可靠性工程全面发展的阶段，也是美国武器系统研制全面贯彻可靠性大纲的年代。在这 10 年中，美国先后开发出 F-111A、F-15A 战斗机、MI 坦克、 “民兵 ”导弹、 “水星” 和“阿波罗”宇宙飞船等装备。这些新一代装备对可靠性提出了更加严格的要求，因此 1957 年 AGREE 报告提出的一整套可靠性设计、试验及管理方法被国防部及国家航空航天局接受，在新研制的装备中得到广泛应用并迅速发展，形成了一套较完善的可靠性设计、试验和管理标准，如 MIL-HDBK-217、MIL-STD-781 和 MIL-STD-785。在这些新一代装备的研制中，都不同程度地制订了较完善的可靠性大纲，规定了定量的可靠性要求，进行可靠性分配及预计，开展故障模式及影响分析和故障树分析，采用余度设计，开展可靠性鉴定试验，验收试验和老练试验，进行可靠性评审等，使这些装备的可靠性有了大幅度提高。例如，50 年代的“先驱者号” 卫星发射 11 次只有 3 次成功，而 60 年代发展的阿波罗登月船，除阿波罗 13 以外，每次发射都成功着陆在月球上并安全返回。在这 10 年中，美、法、日及前苏联等工业发达国家也相继开展了可靠性研究。20 世纪 70 年代是可靠性发展步入成熟的阶段。在这 10 年中，尽管美国及整个资本主义世界遇到经济困难，军费紧缩，但是可靠性作为降低武器系统寿命周期费用的一种有效工具得到进一步发展。这一阶段的主要特点是建立集中统一的可靠性管理机构，负责组织、协调国防部范围的可靠性政策、标准、手册和重大研究课题；成立全国性的数据交换网，加强政府机构与工业部门之间的技术信息交流；制定了一套较完善的可靠性设计，试验及管理的方法及程序。为解决复杂武器系统投入外场使用后出现的战备完好性低和使用保障费用高的问题，从型号项目论证开始就强调可靠性设计，通过加强元器件控制，采用更严格的降额及热设计，强调环境应力筛选，可靠性增长试验和综合环境应力的可靠性试验，推行可靠性奖罚合同等一系列措施来提高武器装备的可靠性。C20 世纪 80 年代以来，可靠性工程向着更深、更广的方向发展。在发展策略上，把可靠性和维修性作为提高武器装备战斗力的重要工具，使可靠性置于与武器装备性能、费用和进度同等重要的地位；在管理上，加强集中统一管理，强调可靠性及维修性管理应当制度化，为此美国国防部于 1980 年首次颁发可靠性及维修性指令5000.40可靠性及维修性 ；在技术上，深入开展软件可靠性、机械可靠性以及光电器件可靠性和微电子器件可靠性等的研究，全面推广计算机辅助设计（CAD）技术在可靠性领域的应用，积极采用模块化、综合化、容错设计、光导纤维和超高速集成电路等新技术来全面提高现代武器系统的可靠性。我国的可靠性工作起始于 20 世纪 50 年代末期，起步并不晚。1959 年建成亚热带亚热带研究所，但是有三四年的时间就夭折了。由于众所周知的原因，在 60 年代可靠性工程在我国还是一片空白。70 年代我国的可靠性工作是从引进国外标准资料开始的。80 年代，我国的各种可靠性机构学术团体想雨后春笋，迅速发展。随着中国的改革开放和经济发展，在 20 世纪 70 年代后期，从解决国家重点工程元器件的可靠性问题开始，在军工和民用产品的可靠性研究有了飞速的提高。特别是我国加入 WTO 之后，经济要与 国际接轨，企业产品参与国际市场的竞争，进入国际经济的大循环圈，这是经济发展的必然趋势。用户不仅要求产品性能好，更重要的是要其产品可靠性水平高，这是产品占领市场的关键。美国人曾预言：今后只有那些具有高可靠性指标的产品及企业，才能在日益剧烈的国际贸易竞争中幸存下来。自 1994 年采办改革开始以来，美国国防部的部分标准已经被取消、部分被修改或改写为手册。其结果导致了制订民用可靠性标准的热潮，甚至出现两个或更多的标准制订机构同时编写同一个主题的标准，造成重复劳动，使得各公司支持雇员参加 SDO 工作的热情下降。因此，除了产生在内容上相类似的标准外，许多 SDO 的能力也因重复劳动而受到了很大限制。 有选择余地自然是好事。然而，当很难从几种标准中比较哪一种是好的时，就会造成混乱，可靠性标准正是遇到了这种情况。即使人们对这些标准都了解，但是要就某一个可靠性方面获得所有可能的可靠性标准也是困难和昂贵的。因此，必须做出明智的选择。重要的是，各 SDO 之间以及各个国际标准化机构之间能否协同工作，联合制订更有用、技术水平更高的标准。 通过各标准制订机构（SDO）合作来改进可靠性标准的现状。比较典型的几个致力于改进可靠性标准的混乱状况的机构有： 一个 SDOZ1 可信性分委会已经决定不再制订更多的可靠性标准。相反，该分委会正在制订一项策略，与美国其他 SDO 合作，共同致力于： 制定联合的美国标准； 采用满足美国需求的国际标准； 与 TAG（TC56）一起制订国际标准。 为促进可靠性、维修性和保障性（RMS）标准改革的实施，与采办改革步伐相一致，来自工业界、政府和专业学会的专家联合起来，成立了 RMS 标准合作机构，它利用专业学会和工业协会作为平台来构建关于 RMS 标准化机构的新的工业界- 政府伙伴关系。RMS标准合作机构是专业学会和政府机构产生世界级的可靠性、维修性和保障性双用途标准的一种新型合作方式。其任务是协调 RMS 军用标准的民用替代标准的产生，避免各种工作之间的重复劳动或不一致。该机构成立于 1994 年初，它是由来自各个不同专业学会和工业协会的专家组成的一个松散的联合体。该机构每季度召开一次会议，交流情况。 1995 年该机构的时事通讯（Newsletter）创刊，作为该机构的代表、成员以及其他感兴趣的专家了解有关 RMS 标准化工作方面的活动的主要通信工具之一。该时事通讯每季度发表一期，主要内容包括：（a）专业学会/工业协会发出的邀请参与 RMS 标准制定和（或）修订方面的信息；（ b）本合作机构有关项目的进展状况；（c）本机构会议召开的日期和地点通知；（d）RMS 专家发表的有关 RMS 标准方面的文章。 RAC由 IIT 研究所（IITRI）运作，在罗姆实验室（现为空军研究实验室信息部）资助的研究工作的基础上，出版了“世界可靠性及维修性标准：美国及其他国家的政府及非政府文件入门”。该“ 入门”提供了 88种美国国家和国际可靠性及维修性标准摘要及目录，这方面信息使查找同一题目的标准以及对名称相同的各种不同标准的比较更容易进行。此外，该“入门 ”还提供了标准发布单位、联系信息、美国可靠性及维修性标准变化的信息、国内及国际组织正在制订的标准信息以及标准制订的背景信息等，可供读者查阅。 可靠性标准化是受防务采办改革影响较大的领域之一。这种影响不限于美国，因为世界上许多公司和政府都采用美国的军用标准。在美国防务采办带来的许多变化中，各种不同单位争相编写同一种可靠性标准便是最明显的变化之一。例如，美国国内各种标准编写机构和国际电工委员会编写的国际标准。然而，随着标准快速繁殖的问题出现，改进可靠性标准的机会也随之出现。通过把协同工作、把集体的经验和知识汇集起来，把各种不同的可靠性观点集中起来，美国各标准制订机构便能制订出提高美国工业能力，开发和生产出世界上最可靠的产品的标准。 英国和北约集团仍在继续国防标准的修订、完善工作，并继续发布了一些新的综合保障标准。例如： 对 ARMP-3“国家 R&M 文件的应用”的 1989 年第 1 版进行了修订，于 1998 年发布了 ARMP-3第 2 版“国家和国际 R&M 文件的清单和来源”。 1998、1999 年、2000 年相继发布了一系列综合后勤保障标准，共 25 部分。 受国防科工委委托，由航空工业总公司六二八所承办组织，北京航空航天大学、科工委军标中心等单位派代表参加的赴美参加可靠性研讨会及技术考察团一行 5 人，从 1993 年 11 月 5 日至 27 日参加了由亚利桑那大学举办的为期一周的第 31 届可靠性工程及管理研讨会，会议前后还考察了波音民用飞机分公司、Intel 公司、麦道直升机公司、爱理德西格诺航空研究图森分公司以及马里兰大学可靠性中心，从一个侧面了解了美国可靠性的研究及发展动向，以及可靠性设计、管理及试验在工程项目的应用情况，开阔了眼界，扩展了思路，现将了解到的当前美国可靠性工程发展的某些动向介绍如下。这是美国可靠性工程当前发展的一个显著动向，也是这次研讨会及参观考察所探讨的主题。波音、麦道、Intel 等公司尽管采用的术语不同，如并行工程(CE)或综合产品研制 (IPD)等先进管理方法和质量功能展开(QFD)，降低易变性(VRP) 等技术，但其做法基本相同，重视用户要求( 包括外部用户及内部用户的要求) ，把这些要求转换成设计、零件、生产等要求，在设计及生产中加以控制。为了确保新产品能够满足用户要求，在产品研制开始便组成多学科设计组(包括设计、生产、可靠性、维修性、质量和使用保障等)，开展多学科综合设计。 这是美国可靠性工程发展的另一动向。在可靠性及维修性(R&M)技术相当发达的美国工业界，波音民用飞机分公司、麦道直升机公司等仍然非常重视故障模式及影响分析(FMEA)、试验一分析一改进(TAAF )、元器件控制等定性设计及分析技术的研究及应用，注意通过工程试验和试飞等途径广泛收集各种数据，总结工程经验，发现薄弱环节，采取纠正措施等来有效提高产品的 R&M。例如，波音民用飞机分公司对各种机载设备不要求进行可靠性鉴定试验，而是通过性能试验、可靠性增长试验等来发现故障模式，采取纠正措施，提高设备的可靠性。在我们接触到的美国工业公司，无论是高技术的民用机、航空电子设备还是一般的民用机械的 R&M 设计，都不同程度地采用了CAD 技术。爱理德西格诺航空研究图森分公司在航空电子设备的设计中，从结构设计、电路设计、应力及热分析、容差分析到可靠性预计和 FMEA 等全部实现了 CAD 化。航空电子设备的设计人员在计算机荧光屏上进行设计和修改设计，公司内部基本实现了网络化。波音民用飞机分公司在 B-777 设计中，采用了计算机辅助三维交互系统(CA-TIA )，把飞机结构、系统、布线和管道敷设以及设备的数字图象组合在一起，绘制飞机安装立体图形，为维修性工程师确定部件的可达性，进行维修性设计及验证提供了一种有效的工具，并有可能逐步取代过去制造昂贵的样机作维修性演示的做法。 在美国工业界中，FMEA 是一种应用最广的可靠性分析工具，其应用范围包括复杂的武器系统和较简单的工业用机械和电子设备。根据各公司及其产品的情况，FMEA 可由系统工程师( 功能法)、设计工程师(硬件法) 或由具有丰富工程经验的可靠性工程师来完成。完成 FMEA 的时机很重要，据爱理德西格诺航空研究图森分公司介绍，如果 FMEA 未能按时完成，设计人员便会拒绝采取改进措施。在实际应用 FMEA 中，对 MIL-STD-1629 的表格做了一些修改，将严酷度等级按用户满意程度和安全性进行排序，并增加了风险顺序数.“神舟五号”遨游太空振奋人心，安全着陆，彰显领先技术。设计师自豪地宣布，飞船可靠性达到 0.997，“可靠性”概念开始从专业领域进入平常百姓的视野。航空航天等高科技产品的高质量要求，使得与故障作斗争、以提高产品质量为目的的可靠性系统工程，在产品研制中扮演着举足轻重的角色，并已发展为一门具有综合性、交叉型的新兴学科。郑州航空工业管理学